浸入型热式质量流量计原理

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  浸入型热式质量流量计原理

热式质量流量计
热式质量流量计(Theermal Mass flowmeters,简称TMF)在国内习惯称为热式流量计,是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量,或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量的一种流量仪表。一般用来测量气体的质量流量。具有压损低;流量范围度大;高精度、高重复性和高可靠性;无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点。
1.托马斯流量计
2. 浸入型热式质量流量计
浸入型TMF是在原来热线接触式流量计的基础上发展起来的一种坚固型热式质量流量计,它解决了接触式TMF在结构上的缺陷,采用适用于工业应用的坚固的高可靠性传感器,近二十多年来得到了很快的发展。
① 浸入型热式质量流量计原理
浸入型TMF传感器的测量原理如图6-15所示。它有两个探头浸入到被测流体中,一个速度探头监测质量流速ρu,一个温度探头监测气体温度T,并自动对温度的变化进行修正,如图6-15a所示。现代工业用的浸入型TMF探头是用做标准级铂电阻温度探头(RTD)的铂丝绕在一陶瓷芯棒上插入一坚固的不锈钢套管(或温度计套管)中组成的。速度探头RTD的电阻比温度探头RTD的电阻低得多,并由电子设备供电产生热量。如图6-15b所示。
浸入型TMF传感器的工作原理基于热力学第一定律,即电阻设备提供给速度探头的电功率(E2u/rU)应等于流动的气体对流换热所带走的热量。
E2u/rU=hAs(Tu-T) (6-11)
式中:
Eu--单位时间内输给流量计的电功率;
Ru--速度探头的电阻;
h--对流换热系数;
As--圆柱形探头表面积;
Tu--速度探头的温度;
T--温度探头测得的气体温度。
参与速度探头周围的热边界层换热的是流动气体的分子(即质量),因此,浸入型TMF传感器检测到的是流体的质量流量。由传热理论可知,乘积(hAs)常可表示为
hAs=α1+α2(ρu)m (6-12)
式中,α1和α2和m为经验确定的常数,取决于被测气体的热传导系数、粘度和热容量等特性。求解式6-11可得气体质量流速(ρ-u)
可以保持温差(Tu-T)为常数,通过测量(E2u/Ru)来测量质量流速ρu,这种方式称为等温型TMF;也可以保持电功率(E2u/Ru)为常数,通过测量温差(Tu-T)来测量质量流速ρu,这种方式称为等功率型TMF。等温型的特点是对流速变化的反应速度快,而等功率型的响应速度就要慢得多。
显然,等温型TMF的输出是一种非线性输出信号。对应0~60(Nm/s)的流速大约有0.5~8W的输出。TMF的这种固有的非线性在极宽的范围度(1000:1)和低速灵敏度(约0.06Nm/s)还是很可靠的。
由于技术水平的限制,对于浸入型TMF目前还不能使每一支流量传感器的性能做得完全一样,速度/温度探头对必须在整个流量范围内单独进行标定。既然浸入型TMF传感器的性能取决于气体的热传递性,所以标定也应以实际气体进行。用方便的参照气体标定浸入型TMF传感器还没有得到实用。
浸入型热式质量流量计原理
浸入型热式质量流量的分类
③ 浸入型热式质量流量计的特点

3.热分布型热式质量流量计
热分布型热式质量流量计的原理
热分布型热式质量流量计的结构与分类
③ 热分布型热式质量流量计的特点
A.热分布型热式质量流量计的优点
B.热分布型热式质量流量计的缺点
热分布型热式质量流量计的使用
4.边界层流量计
边界层流量计测量原理
边界层流量计存在的问题

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